基于遙感影像的建筑抗震能力分析
——以張家口萬全區(qū)為例1

李 姜 張 合 劉志輝 許 沖

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北三河 065201

3）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

引言

從近十幾年國(guó)內(nèi)外地震震害來看，房屋破壞是造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的最主要原因。房屋建筑資料等信息一直是災(zāi)情快速評(píng)估的重要基礎(chǔ)，尤其是房屋結(jié)構(gòu)的合理分類，決定著評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性（聶高眾等，2002；帥向華等，2009；姜立新等，2012）。

近年來，隨著遙感影像技術(shù)的迅速發(fā)展，高分衛(wèi)星遙感分辨率提升至亞米級(jí)，為房屋基本信息的快速獲取提供了途徑。王曉青等（2004）和竇愛霞等（2012）通過遙感技術(shù)獲取災(zāi)區(qū)震后遙感影像，并提出了遙感震害指數(shù)與定量分析模型，成功應(yīng)用于汶川、玉樹地震等的震害快速定量化評(píng)估中。郭建興等（2020）提出了利用遙感影像結(jié)合居民地建筑物數(shù)據(jù)評(píng)估地震烈度的方法。馬建等（2020）通過獲取震后高分辨率無人機(jī)影像，對(duì)房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類和震害解譯。李昌瓏等（2019）利用三維圖像模式識(shí)別各類建筑物的數(shù)量分布，并建立不同建筑物易損性模型。汶川、玉樹地震等震害多次暴露出我國(guó)村鎮(zhèn)房屋抗震能力較脆弱，快速、全面、準(zhǔn)確掌握村鎮(zhèn)房屋抗震能力一直是研究的重點(diǎn)方向（周強(qiáng)等，2016；李皓等，2018）。

目前，主要利用遙感影像進(jìn)行震后房屋震害識(shí)別，較少用于房屋抗震能力的研究。因各地房屋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣，實(shí)際調(diào)查難度大，通過遙感技術(shù)快速獲取房屋結(jié)構(gòu)類型等基本信息，對(duì)分析房屋抗震能力具有現(xiàn)實(shí)意義。劉賈賈等(2019，2021)通過遙感影像對(duì)城鎮(zhèn)和農(nóng)村建筑物進(jìn)行分類，并根據(jù)建筑物分類結(jié)果對(duì)震害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步劃分。

本文通過無人機(jī)航拍和遙感影像獲取房屋基本信息，通過人機(jī)交互方式提取村鎮(zhèn)房屋結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到其他信息，建立當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)房屋抗震能力指數(shù)體系，分析村鎮(zhèn)房屋抗震能力。利用遙感影像實(shí)現(xiàn)房屋基本信息的快速提取，提高房屋信息獲取的便捷性，且具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于地震災(zāi)害損失評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)普查、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等工作具有重要意義。

1 研究區(qū)域

張家口市位于河北省西北部，京晉冀蒙交界地帶，是“首都圈”地區(qū)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)和晉冀蒙交界地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)，屬于張家口?渤海地震構(gòu)造帶與汾渭地震構(gòu)造帶交匯地區(qū)，具備發(fā)生中等破壞性地震的條件和背景（李書進(jìn)等，2010；張肖等，2019；茅遠(yuǎn)哲等，2019）。根據(jù)張家口市所處的地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，部分地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)發(fā)展迅速，按抗震設(shè)防建造的房屋抗震能力存在差異。而部分地區(qū)發(fā)展較慢，存在無抗震能力的舊房，如土木、磚木、土窯結(jié)構(gòu)房屋等（劉龍等，2019）。萬全區(qū)位于張家口市西北部，地理位置險(xiǎn)要，受地質(zhì)構(gòu)造控制，地形北高南低，東西向?yàn)槲鞲邧|低，是川、丘、山并存的地區(qū)（圖1），本文以該區(qū)域作為研究對(duì)象。

圖1 萬全區(qū)行政區(qū)劃圖Fig. 1 Administrative division map of Wanquan District

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

調(diào)查數(shù)據(jù)作為萬全區(qū)房屋抗震性能分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后期房屋抗震能力分析奠定基礎(chǔ)?；陔S機(jī)均勻分布原則，對(duì)于研究區(qū)每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，選取不少于2 個(gè)調(diào)查點(diǎn)，調(diào)查范圍確定了22 個(gè)村鎮(zhèn)（圖2），包括新河口村、代家房村、西灣村、武家莊村、新開口村、望虎臺(tái)村、劉虎莊村、板山村、陽門堡村、舊羊屯村、吳家窯村、上營(yíng)房村、西柳林村、洗馬林鎮(zhèn)、萬全鎮(zhèn)、沙家莊村、陳家溝村、高廟堡村、羊窖溝村、岸莊屯村、安家堡村、趙家梁村。采取拍取房屋照片、填寫房屋信息、無人機(jī)測(cè)航調(diào)查點(diǎn)等方式開展調(diào)查，普查主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)類型、抗震設(shè)防水平、構(gòu)造措施等基本情況，詳查是在普查的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)房屋進(jìn)行隨機(jī)抽樣，更加詳細(xì)地調(diào)查建造年代、層數(shù)、用途等信息（周強(qiáng)等，2016）。

圖2 萬全區(qū)地貌分區(qū)圖與調(diào)查點(diǎn)分布Fig. 2 Geomorphic zoning map and distribution of survey points in Wanquan District

3 建筑物數(shù)據(jù)提取

目前，利用遙感影像提取房屋數(shù)據(jù)包括人工目視判讀和計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯2 種方式。其中，人工目視判讀精度較高，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯效率高，但易受周邊背景的影響（趙春霞等，2004）。針對(duì)上述方式優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用eCognition 軟件處理與人工目視判讀提取無人機(jī)影像圖的房屋信息（劉賈賈等，2019）。

本文以大疆無人機(jī)為測(cè)航平臺(tái)，以Pix4D 軟件為地理空間航片拼接工具，對(duì)萬全區(qū)村鎮(zhèn)進(jìn)行抽樣拍攝。所用無人機(jī)遙感影像具有高空間分辨率特點(diǎn)，可使地物幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息顯示更清晰。從拍攝影像圖來看，研究區(qū)內(nèi)房屋多為紅瓦、青瓦房頂，且房頂多為尖頂，以屋脊為界，向兩側(cè)傾斜。無人機(jī)遙感影像中的房屋屋頂紋理清晰，形狀規(guī)則，顏色與耕地、林地等有顯著區(qū)別（胡勇等，2016）。圖3所示為無人機(jī)拍攝的調(diào)查點(diǎn)影像圖，主要技術(shù)流程如圖4 所示。本文以趙家梁村為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，由于無人機(jī)影像（像素分辨率約為0.12 m）與91 衛(wèi)圖助手遙感影像（像素分辨率為0.11 m）分辨率接近，其余村鎮(zhèn)采用91 衛(wèi)圖助手遙感影像進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別步驟與無人機(jī)影像一致。

圖3 無人機(jī)拍攝趙家梁村影像圖Fig. 3 Image of zhaojialiang village taken by UAV

圖4 無人機(jī)拍攝房屋側(cè)面照片F(xiàn)ig. 4 Side photos of houses taken by UAV

影像處理流程如圖5 所示，為提高正確率，采用eCognition 軟件首先對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，分別選擇30、40、50 尺度進(jìn)行分割。將3 種尺度的分割效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分割尺度為40 時(shí)，建筑物能較好地同其他地物進(jìn)行區(qū)分，提取建筑物較完整，未出現(xiàn)“粘連”現(xiàn)象。由此得出分割尺度為40，形狀指數(shù)為0.4，緊密度為0.5。利用特征庫(kù)的閾值分類法將建筑物與非建筑物進(jìn)行區(qū)分，與調(diào)查結(jié)果對(duì)比修正后提取影像圖房屋面積。

圖5 影像處理流程Fig. 5 Flow chart of image processing technology

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況，張家口農(nóng)村地區(qū)土木、磚木結(jié)構(gòu)房屋普遍占地面積為40～60 m2，屋頂多為灰瓦小尖頂，顏色較暗沉，房屋進(jìn)深多為3～4 m。磚混結(jié)構(gòu)房屋占地面積為60～90 m2，屋頂多為灰瓦屋頂，顏色較鮮艷，房屋進(jìn)深多為4～4.6 m。根據(jù)以上特征，采用樣本鄰近分類方法，將房屋類型識(shí)別為2 類，分別為土木、磚木結(jié)構(gòu)房屋和磚混結(jié)構(gòu)房屋。

通過人工目視校核和編輯進(jìn)一步識(shí)別房屋類型，對(duì)照無人機(jī)拍攝的實(shí)地房屋側(cè)面照片（圖4）與無人機(jī)影像圖（圖3）進(jìn)行對(duì)比匹配，最終給出房屋結(jié)構(gòu)和層數(shù)提取結(jié)果。通過對(duì)圖3 進(jìn)行辨識(shí)，將房屋類型劃分為4 類（圖6），包括砌體結(jié)構(gòu)房屋，工業(yè)廠房、公共空曠房屋，磚木結(jié)構(gòu)房屋，土、木、石結(jié)構(gòu)房屋。對(duì)于一般性居民地，可不考慮工業(yè)廠房和公共空曠房屋面積。表1 為計(jì)算得出的3 類房屋面積，趙家梁村砌體結(jié)構(gòu)房屋面積為55 478.99 m2，磚木結(jié)構(gòu)房屋面積為21 807.27 m2，土、木、石結(jié)構(gòu)房屋面積為19 233.63 m2。

表1 22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)房屋信息Table 1 House area summary o for 22 survey points

圖6 趙家梁村房屋信息提取結(jié)果Fig. 6 Extraction results of house information in zhaojialiang Village

通過無人機(jī)遙感影像與91 衛(wèi)圖助手遙感影像對(duì)22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)分別進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)與面積的提取，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查和無人機(jī)拍攝房屋側(cè)面照片，修正22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)提取的房屋信息數(shù)據(jù)。因遙感影像無法判斷砌體結(jié)構(gòu)房屋是否設(shè)防，故砌體結(jié)構(gòu)房屋中設(shè)防房屋與未設(shè)防房屋占比通過實(shí)地調(diào)查得到。

4 房屋抗震能力分析

獲取房屋結(jié)構(gòu)類型比例是分析房屋抗震能力的重要環(huán)節(jié)。通過建立遙感影像獲取不同類型建筑物面積，得到研究區(qū)內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)比例，結(jié)合抽樣調(diào)查得到的各影響因素類型和分布比例關(guān)系，得出不同時(shí)代建筑物面積所占比例及層數(shù)所占比例。利用樣本建筑物房屋類型抗震能力指數(shù)，分析萬全區(qū)建筑物綜合房屋類型抗震能力指數(shù)。

4.1 影響建（構(gòu)）筑物抗震能力的因素

無數(shù)震害實(shí)例表明，提高建（構(gòu)）筑物抗震能力是減輕震害最有效的途徑。因此，提高建（構(gòu)）筑物抗震能力是防震減災(zāi)重要環(huán)節(jié)（張風(fēng)華等，2004；劉莉，2009）。歸納震害經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮建（構(gòu)）筑物抗震能力影響因素和數(shù)據(jù)易獲取性，將房屋抗震設(shè)防水平、結(jié)構(gòu)類型、建造年代和層數(shù)作為抗震能力指標(biāo)。

4.2 劃分建（構(gòu)）筑物抗震能力指數(shù)等級(jí)

根據(jù)《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分》（GB/T 24335?2009）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2009），將建（構(gòu)）筑物地震破壞分為5個(gè)等級(jí)，即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞。將建（構(gòu)）筑物抗震能力量化為抗震能力指數(shù)，其代表建（構(gòu)）筑物抵御地震災(zāi)害的能力，取值范圍為0～1，數(shù)值越大表明抗震能力越好，越小表明抗震能力越差（謝禮立，2006），基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞對(duì)應(yīng)的抗震能力指數(shù)分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。

4.3 建（構(gòu)）筑物抗震能力指數(shù)的確定

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011?2010）（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）規(guī)定，地震區(qū)建筑必須按規(guī)定設(shè)防，因此不同的基本烈度地區(qū)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不同，震害矩陣也不同。本文依據(jù)《中國(guó)大陸地震災(zāi)害損失評(píng)估匯編》收集到的1989?2016 年華北片區(qū)成災(zāi)地震的震害記錄和相關(guān)數(shù)據(jù)，參考河北省地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)震害矩陣，修改得到適用于本研究區(qū)的震害矩陣。根據(jù)《地震現(xiàn)場(chǎng)工作 第4 部分：災(zāi)害直接損失評(píng)估》（GB/T 18208.4?2011）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2011）將房屋類別劃分為鋼結(jié)構(gòu)房屋，鋼筋混凝土房屋，砌體房屋，磚木房屋，土、木、石結(jié)構(gòu)房屋，工業(yè)廠房和公共空曠房屋。鑒于張家口地區(qū)農(nóng)村房屋多為砌體房屋、磚木、土木結(jié)構(gòu)房屋，可將房屋類別劃分為A、B、C、D 類，其中A 類為土、木、石結(jié)構(gòu)房屋，包括土墻木屋架的土坯房、磚柱土坯房、土坯窯洞、碎石砌筑房屋；B 類為磚木房屋，包括磚墻、木房架的多層磚木結(jié)構(gòu)、磚木平房；C 類為未設(shè)防的砌體房屋，即未經(jīng)設(shè)防的磚砌體房屋；D 類為設(shè)防的砌體房屋，即按照Ⅶ度設(shè)防的磚砌體房屋，選用的震害矩陣如表2～5 所示。

表2 A 類房屋震害矩陣（%）Table 2 Earthquake damage matrix of A type buildings（Unit:%）

表3 B 類房屋震害矩陣（%）Table 3 Earthquake damage matrix of B type buildings（Unit:%）

表4 C 類房屋震害矩陣（%）Table 4 Earthquake damage matrix of C type buildings（Unit:%）

表 5 D 類房屋震害矩陣（%）Table 5 Earthquake damage matrix of D type buildings（Unit:%）

因遙感影像無法區(qū)別設(shè)防與未設(shè)防的砌體房屋，所以通過實(shí)地調(diào)查對(duì)利用遙感影像提取到的砌體房屋進(jìn)行分類，即分為C 類或D 類。一般來說，設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)房屋所占比例高的地區(qū)建（構(gòu)）筑物抗震能力強(qiáng)。不同地區(qū)建（構(gòu)）筑物抗震能力在很大程度上取決于A、B、C、D 類房屋面積比例。因此，本文采用謝禮立（2006）確定的抗震能力指數(shù)公式計(jì)算不同地區(qū)建（構(gòu)）筑物震害矩陣：

表6 建造年代修正參考值Table 6 Reference value of building age correction

表7 層數(shù)修正參考值Table 7 Corrected reference value of layers

基于上述分析，可以給出某地區(qū)建（構(gòu)）筑物抗震能力指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：a1、a2、a3、a4分別表示1979 年以前、1980?1989 年、1990?1999 年、2000?2019 年建筑物面積占比；b1、b2、b3分別表示平房、2～6 層、7 層以上建筑物面積占比。

建筑物抗震能力等級(jí)劃分如表8 所示。

表8 建筑物抗震能力等級(jí)劃分Table 8 Classification of seismic capacity of buildings

5 結(jié)果分析

本文選取不同類型的建筑物面積數(shù)據(jù)（表1），得到研究區(qū)內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)類型比例，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查中的詳查資料，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)房屋建造年代、層數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分類，得到22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)房屋建造年代、層數(shù)比例，進(jìn)而計(jì)算房屋抗震能力指數(shù)。表9 所示為22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)不同結(jié)構(gòu)類型、建造年代和層數(shù)對(duì)應(yīng)的抗震能力指數(shù)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223?2008）（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008），萬全區(qū)村鎮(zhèn)抗震設(shè)防水平應(yīng)按Ⅶ度設(shè)防。

表9 22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)房屋抗震能力指數(shù)Table 9 Seismic capacity index of 22 survey points

根據(jù)式（1）～（4）和修正系數(shù)得出22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)建筑物抗震能力指數(shù)值，如圖7 所示。

圖7 22 個(gè)調(diào)查點(diǎn)建筑物抗震能力指數(shù)對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of seismic capacity index of buildings in 22 survey points

采用平均數(shù)算法得到萬全區(qū)房屋抗震設(shè)防水平，不同結(jié)構(gòu)類型、建造年代和層數(shù)對(duì)應(yīng)的抗震能力指數(shù)如表10 所示。

表10 萬全區(qū)房屋抗震能力指數(shù)Table 10 Seismic capacity index of buildings in Wanquan district

通過式（1）計(jì)算萬全區(qū)建筑物震害矩陣，從而得到建（構(gòu)）筑物平均抗震能力指數(shù)為：

萬全區(qū)建（構(gòu)）筑物抗震能力指數(shù)為：

可得萬全區(qū)遭遇VI～Ⅹ度地震時(shí)，抗震能力指數(shù)為：[0.684 7，0.542 0，0.403 7，0.307 6，0.199 4]。

6 分析與討論

本文利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲得高分辨率遙感影像圖，通過eCognition 軟件處理初步得到建筑物面積及分類，結(jié)合無人機(jī)拍攝的側(cè)面照片，通過人工輔助進(jìn)行識(shí)別與修正，并與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，使提取的村鎮(zhèn)房屋信息數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，為地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和地震風(fēng)險(xiǎn)普查工作提供參考。本文在建筑物抗震能力指數(shù)計(jì)算中考慮了設(shè)防與未設(shè)防的砌體房屋情況，得到了較精準(zhǔn)的建筑物抗震能力情況。但目前無法通過遙感影像識(shí)別砌體房屋是否設(shè)防，需通過實(shí)地調(diào)查確定。本研究村鎮(zhèn)房屋結(jié)構(gòu)較單一，需對(duì)進(jìn)一步提高城市房屋識(shí)別正確率進(jìn)行研究與探索。

由萬全區(qū)村鎮(zhèn)建筑物抗震能力指數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，萬全區(qū)房屋整體抗震能力較弱，以未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)和磚木、土木結(jié)構(gòu)房屋為主?？拐鹉芰χ笖?shù)為0.6～0.7，基本可抵御VI 度地震，當(dāng)遭遇VI 度地震時(shí)，萬全區(qū)村鎮(zhèn)建筑物抗震能力為中等，除個(gè)別土木結(jié)構(gòu)房屋集中的地區(qū)外，房屋不至于大面積損壞，也不會(huì)造成巨大損失。當(dāng)遭遇Ⅶ度地震時(shí)，萬全區(qū)村鎮(zhèn)建筑物抗震能力較差。

通過對(duì)萬全區(qū)房屋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)交通較發(fā)達(dá)的地方磚木結(jié)構(gòu)房屋較多，偏遠(yuǎn)難行的地方土木結(jié)構(gòu)房屋較多。老舊的土窯洞、土木結(jié)構(gòu)房屋由于建設(shè)年代較早，抗震性能普遍較差。磚木結(jié)構(gòu)房屋普遍未采取抗震措施，木屋架多為硬山擱檁形式，與墻體無可靠拉結(jié)，整體性較差。同時(shí)，普遍存在門窗開洞過大、窗間墻過窄的現(xiàn)象，造成墻體抗剪能力減弱、房屋剛度不均勻，對(duì)房屋整體抗震不利。房屋多采用石砌基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為30～100 cm，部分基礎(chǔ)砌筑不牢，影響房屋抗震性能。普遍存在附屬設(shè)施安全隱患，其中出屋面煙囪、門樓、圍墻、挑檐等震后均可能出現(xiàn)掉落、倒塌，進(jìn)而導(dǎo)致傷人，應(yīng)予以重視。

地震烈度為VI 度時(shí)，萬全區(qū)房屋基本完好。地震烈度為Ⅶ度以上時(shí)，房屋會(huì)發(fā)生大面積損壞，由此看來，張家口地區(qū)農(nóng)村房屋抗震性能仍不足，地震風(fēng)險(xiǎn)偏大，防震減災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻，應(yīng)加大農(nóng)村地區(qū)抗震減災(zāi)力度。